氧化应激在女性生殖功能损伤中的研究进展

常瑞亚 石拴霞 王纪田 王玲

研究表明,毒物的暴露、化疗、吸烟、高原环境等均会造成女性生殖相关细胞的氧化应激,对女性生殖细胞及器官等造成了严重的威胁。氧化应激是活性氧(ROS)、活性氮(reactive nitrogen species, RNS)和抗氧化防御系统失衡状态,是细胞再生系统中凋亡的关键因素[1]。在建康的身体中,氧化-抗氧化系统处于动态的平衡。当活性氧的产生超过抗氧化防御机制消除能力时,导致氧化剂-抗氧化剂系统的失衡[2],引起细胞和组织发生系列生理病理反应,被认为是引起疾病及导致衰老的重要因素。氧化应激水平升高,可引起女性生殖细胞生理功能的损伤及多种生殖疾病,如多囊卵巢综合征、子宫内膜异位症[3]等不明原因的不孕、复发性流产、自然流产等妊娠并发症。因此,维持氧化与抗氧化平衡、缓解女性生殖功能损伤对提高女性生殖健康至关重要。

1 氧化应激

氧化应激是促氧化剂(自由基种类)和身体的清除能力(抗氧化剂)之间的不平衡引起的,过量ROS得不到及时清除引起的病理反应[4]。高水平ROS会引起离子通道开放、脂质过氧化、蛋白质修饰、DNA氧化等,导致细胞结构和功能损伤,甚至导致细胞凋亡。ROS包括超氧阴离子(O2)、羟基自由基(OH)和过氧化氢(H2O2)等类型;抗氧化防御系统主要的3种酶抗氧化剂包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px);非酶抗氧化剂包括谷胱甘肽等,机体的抗氧化系统在抵抗氧化应激中起着关键作用。氧化磷酸化(OXPHOS)是生命的基础。线粒体通过产生由电子传递链产生的膜电位梯度来驱动 ATP 合成来维持 OXPHOS。电子传递链是 ROS 生成的主要来源[5]。中等水平的 ROS 刺激细胞生长和增殖,是维持生理功能所必需的。慢性 ROS 积累可发生在各种细胞类型中,内部信号通路直接或间接诱导细胞和组织损伤(即对 DNA、脂质膜和蛋白质的损伤),导致各种女性生殖系统疾病,对女性的生育能力有一定的影响。

在女性(雌性)生殖系统中,ROS及抗氧化剂对卵泡发育及卵母细胞成熟有调控作用。ROS是一把双刃剑,作为信号分子,它们在细胞增殖速率和凋亡的调节以及基因表达途径的调节中具有重要作用[6],并且ROS生成对于生殖系统的各种生理功能是必不可少的,包括卵巢类固醇生成、卵母细胞成熟、排卵、胚泡形成、着床、黄体溶解和妊娠期黄体维持。当氧化剂的产生超过机体的抗氧化能力时,会造成ROS积累,进而导致氧化应激产生。而氧化应激引发多种生物学过程,如通道开放、脂质过氧化、蛋白质修饰、DNA氧化等,造成生殖细胞的损伤,甚至会导致女性不孕或复发性流产等严重的妊娠并发症[7]。

2 氧化应激对女性生殖功能的影响

氧化应激在女性生殖调节中起着重要作用。适量的ROS对女性生殖系统的各个生理功能是不可或缺。而过量的ROS引起的氧化应激通过改变哺乳动物的卵母细胞生理、卵巢及子宫等降低女性生殖能力。氧化应激可以在各种生殖系统疾病中发挥作用,此外,氧化应激还可能影响女性生殖系统中的其他组织和器官。

2.1 氧化应激对生殖细胞的影响 在健康的身体系统中,ROS和抗氧化剂保持平衡,ROS在维持卵母细胞的正常功能和着床前胚胎的发育中起着至关重要的作用。另外,ROS也参与调控卵母细胞生长、减数分裂、排卵等生理过程[8]。但当平衡被过量的 ROS打破时,就会出现氧化应激,进而影响卵母细胞的发育,导致卵母细胞线粒体的损伤、三磷酸腺苷(ATP)缺乏、减数分裂异常和染色体非整倍体数目增加,进而损害卵母细胞的发育潜能,甚至导致卵泡凋亡[9]。可使卵母细胞受精潜能明显降低,损害胚胎发育,可降低女性的生育能力或造成不良的妊娠结局。氧化应激有能力破坏线粒体功能并直接破坏卵母细胞的多种细胞内成分,进而损害卵母细胞的活力和受精性,并干扰减数分裂期间染色体的正常分离[10]。目前,氧化应激已被公认为可以减弱卵母细胞质量的重要因素[11],而卵母细胞质量是女性生育能力的关键因素之一。氧化应激会导致卵细胞内部的线粒体功能异常和DNA损伤,从而影响卵细胞的质量。卵子质量下降会增加染色体异常和胚胎发育缺陷的风险,导致不孕症和流产等问题。因此,氧化应激对卵母细胞的损伤是导致女性生殖功能障碍,甚至女性不孕的关键因素。

颗粒细胞对于在卵泡发育和成熟过程中支持和滋养卵母细胞很重要。颗粒细胞的氧化应激损伤可导致卵泡对卵泡刺激素(FSH)的反应性降低,这将加速卵巢衰老并对卵母细胞和胚胎质量产生不利影响,降低卵泡质量和女性生殖功能[12]。研究表明,随着年龄的增高,卵泡液中 ROS 逐渐增加、总 SOD 活性下降,受精率及囊胚形成率与卵泡液的总 SOD 活性呈正相关,颗粒细胞中过氧化氢酶和谷胱甘肽还原酶的水平均有显著降低[13]。卵泡液和颗粒细胞相互作用,促进卵母细胞的发育及成熟[14],颗粒细胞的损伤可能对卵子的质量有影响,进而降低女性生育能力。

2.2 氧化应激对女性生殖器官的影响

2.2.1 氧化应激对卵巢的影响:卵巢是女性生殖系统重要器官之一,与卵母细胞的成熟、排卵等密切相关。卵巢的氧化应激是引起女性不孕的重要原因。卵巢内高水平ROS会引起氧化应激状态通过促进细胞凋亡、炎性反应、线粒体损伤、端粒缩短和生物大分子损伤等途径加速卵巢衰老,进而引起广泛的卵泡闭锁或退化,从而破坏卵巢的正常生理功能,对女性生殖功能造成不可逆的损伤。氧化应激可通过外源性途径、内源性途径和内质网应激(ERS)[15]等多种途径诱导卵巢细胞凋亡,卵母细胞凋亡直接导致生殖细胞的丧失。颗粒细胞凋亡导致卵巢细胞营养剥夺,诱发卵巢微环境代谢紊乱,从而加重对卵巢的损伤[16]。此外,氧化应激可导致女性生殖干细胞(FGSCs)凋亡,FGSCs的表型改变降低了其增殖能力。卵母细胞减数分裂和颗粒细胞增殖需要充足的蛋白质、碳水化合物和脂质供应[17]。然而,氧化应激可直接破坏大分子结构,卵巢失去了补充原始卵泡库和产生卵母细胞的潜力,包括卵母细胞减数分裂停滞、颗粒细胞凋亡、黄体功能障碍等,从而加速卵巢衰老的进程[18],造成女性生殖能力减低,甚至引起女性不孕。研究表明,高水平ROS也可通过线粒体和死亡受体通路引起卵巢组织中卵泡凋亡增加[19]。因此,研究抗卵巢细胞凋亡方法对治疗女性不孕具有重大意义。

多囊卵巢综合征(PCOS)是以不排卵或少排卵、高雄激素血症和多囊卵巢为特征,关键因素为排卵障碍而影响生育功能[20],是女性无排卵性不孕症的主要原因之一,影响全球5%～15%的育龄女性[21],PCOS有多种病因,氧化应激起着重要作用。PCOS 疾病及相关并发症与子宫内膜局部氧化应激失衡密切相关,导致子宫内膜容受性差,影响妊娠。Papalou等[22]分析发现氧化应激参与PCOS的病理生理过程,与其他致病因素如氧化应激与高雄激素血症、胰岛素抵抗、超重/肥胖等共同调控PCOS的发生发展。最近一项研究表明,高雄激素血症可增加卵巢氧化应激失衡和低水平炎症,并通过激活NLRP 3炎性小体上调炎性因子的表达,从而诱导卵巢颗粒细胞的焦亡,损害卵泡功能,导致排卵障碍[23],引起PCOS相关性不孕。PCOS疾病及相关并发症与子宫内膜局部氧化应激失衡密切相关,导致子宫内膜容受不良和对妊娠的影响[24]。研究发现,PCOS 患者卵泡液及血清中总氧化能力及氧化应激指数与对照组相比显著增高,PCOS患者的囊胚形成率比对照组略低,总氧化能力与优质胚胎率 、囊胚形成率呈明显负相关[25],结果表明PCOS 患者的优质胚胎率 、囊胚形成率的下降及胚胎质量的下降,可能与PCOS患者较高的流产率和较低的活产率有关。虽然PCOS患者排卵障碍的氧化应激机制目前并不完全清楚,但抗氧化治疗可能对PCOS患者有益[26],并且这需要更多的关于抗氧化治疗的临床研究为PCOS患者的治疗提供有利的依据,解决PCOS患者的不孕问题,提高PCOS患者的生育质量。

卵巢癌是最危险的妇科恶性肿瘤之一,诊断较晚且化疗耐药导致复发,致死率较高,有研究表明,氧化应激在卵巢癌的发生、生长和发展中起着关键作用[27]。当氧化剂的产生超过机体的抗氧化能力,引起氧化应激时,机体的抗氧化应激防御系统会有一定程度的对抗作用,使机体保持氧化-抗氧化平衡状态。红系衍生的核因子相关因子(Nrf2)是一种存在于人体各个器官组织中对抗外来异物和氧化损伤的关键转录因子。它可以参与多种抗氧化酶的活化及ROS等有害物质的清除[28]。在细胞中,Nrf2-ARE信号通路是对抗外源物质及氧化应激损伤的重要通路。Nrf2-ARE信号通路的核心分子包括 Nrf2、抗氧化反应元件和伴侣蛋白。Nrf2-ARE信号通路在氧化应激状态被激活,具有抗氧化作用,可以使机体的氧化-抗氧化平衡。Nrf2-ARE信号通路对肿瘤的发生和耐药性均有显著的作用,Nrf2在肿瘤细胞中的表达明显高于正常细胞,肿瘤细胞可以通过Nrf2-ARE信号通路增强抗氧化应激的能力,增强自身对抗放化疗的耐受性。在卵巢癌OV90细胞中,通过抑制Nrf2-ARE信号通路可增强多柔比星在体外的细胞毒作用。干扰lncRNA MNX1-AS1诱导卵巢癌细胞的氧化应激增强、线粒体损伤加重,干扰lncRNA MNX1-AS1对SKOV3细胞抑制效果显著,具有靶向治疗卵巢癌的潜力[29]。因此,研究氧化应激在卵巢癌发生、发展过程中的作用,对卵巢癌的预防及治疗提供很大的帮助,同时也为卵巢癌患者带来福音。

2.2.2 氧化应激对子宫的影响:子宫内膜异位是常见的妇科疾病,其特征是子宫内膜组织在子宫外生长,异常的子宫内膜组织在月经周期中也会受到激素的影响,导致出血、疼痛和其他症状。子宫内膜异位症与ROS和氧化产物升高有关,氧化应激通过下调抗氧化能力、增加炎性反应、损伤细胞膜和DNA损伤等多种途径参与子宫内膜异位症的发生和发展。如子宫内膜异位症相关的不孕症机制可能与氧化应激诱导子房颗粒积云细胞的病理变化有关,高水平ROS通过激发内质网应激诱导子宫内膜异位症子房颗粒状积云细胞衰老,最终导致子宫内膜异位症相关性不孕症[30]。研究显示,子宫内膜异位症患者血清、腹腔液和卵泡液中的ROS产生过多,导致抗氧化能力下降[31]。氧化应激还可以影响子宫内膜异位症患者的疼痛感受。脂质过氧化物的最终代谢产物丙二醛、脂质过氧化氢及抗氧化酶之一超氧化物歧化酶均可反应机体氧化应激水平。研究显示,子宫内膜异位症患者血清超氧化物歧化酶水平明显高于正常人[32]。氧化应激可以增加疼痛相关物质的产生,导致疼痛感觉的增强。此外,氧化应激还可以影响子宫内膜异位症患者的免疫功能和生殖功能。研究表明,抗氧化剂对子宫内膜异位症具有预防和治疗作用[33],子宫内膜异位症患者血清及卵泡液中ROS水平均升高,且血清中抗氧化剂水平均降低[34],表明氧化应激为子宫内膜异位症患者不孕的重要机制之一。ROS对腹腔内子宫内膜细胞的黏附、生长具有促进作用,引起子宫内膜异位症的发生,进而引起疼痛及不孕症状[35]。氧化应激可以通过影响子宫内膜异位症患者颗粒及卵母细胞的正常发育及成熟过程,最终损伤卵巢及生育功能,影响患者生存质量。子宫内膜异位症通过引起颗粒细胞凋亡、炎症、氧化应激、类固醇合成障碍和线粒体能量代谢异常来影响卵母细胞的发育和质量。子宫肌层氧化应激增加与MED12突变率高之间的有明确联系,这可能是育龄女性子宫平滑肌肌瘤发展风险和严重程度的基础[36]。研究氧化应激在子宫内膜异位症中的作用,有助于预防和治疗子宫内膜异位症。此外,生活方式的改善,生活压力的减轻,保持健康的饮食习惯和适度的运动可以降低机体的氧化应激水平,对子宫内膜异位症患者的管理有帮助。所以,进一步研究氧化应激对子宫相关疾病的研究,对提高女性生育能力及治疗不孕具有重要意义。

3 抗氧化治疗在氧化应激引起的女性生殖损伤中作用

抗氧化剂是改善氧化应激对女性生殖功能损伤的一种安全有效的措施。目前,多种抗氧化剂能有效改善氧化应激对女性生殖功能的损伤,如抗氧化剂可以改善卵巢环境,促进卵泡成熟,提高卵母细胞数量等。也可以调节多囊卵巢综合征患者的脂质和葡萄糖代谢以及血管内皮细胞功能,降低慢性并发症的发生率[37],减少PCOS患者不孕并发症的发生。褪黑素是一种有效的抗氧化剂,具有脂溶性及水溶性,可以保护细胞及器官免受ROS和活性氮引发的氧化应激损伤。在细胞中可以直接清除自由基,卵泡液中的褪黑素减少氧化应激引起的卵母细胞的凋亡。二甲双胍通过SIRT3介导的老年小鼠卵母细胞中SOD2K68的乙酰化状态改善线粒体功能,减少卵母细胞凋亡[38],以保护卵母细胞在成熟过程中的氧化损伤,促进卵泡成熟,改善氧化应激对女性生殖功能的损伤,表明二甲双胍通过miR-670-3p/NOX2/ROS途径抑制卵巢颗粒细胞焦亡[39]。给予适量丹参酮IIA可以上调抗氧化基因的表达,减少氧化损伤,增加AMH水平和E2水平,从而促进卵母细胞健康发育,提高卵母细胞质量[40]。虾青素能使卵泡及卵母细胞的抗氧化增强,而缓解卵泡发育和卵母细胞成熟过程中双酚A诱导的氧化应激[41]。过氧化物还原蛋白4通过间隙连接防止氧化应激引起的卵丘细胞凋亡,进而改善体外成熟卵母细胞质量并增强卵母细胞发育能力[42],为治疗氧化应激引发的女性生殖功能损伤提供理论依据。研究表明,在临床医学或膳食补充剂中引入左旋肉碱可保护颗粒细胞,改善卵泡质量和女性生殖功能[43]。维生素 D 可直接作用于线粒体,提高细胞生物合成和抗凋亡水平,并上调抗氧化剂表达,从而降低 ROS 水平。 此外,维生素 D 还可刺激线粒体转录因子 A 的表达,增加线粒体 DNA 拷贝数,并改善线粒体膜的完整性[44]。生理性抗氧化剂维生素C、E,可以保护细胞免受氧化应激的损伤。研究显示,补充维生素C、E的子宫内膜异位症患者的超氧化物歧化酶和ROS较对照组明显降低,且盆腔痛和性交困难的严重程度显著降低[45]。氧化应激作为生殖功能损伤的重要机制之一,抗氧化治疗在减轻氧化应激所致的生殖功能损伤具有很大的潜在价值,并且大量研究已证实。因此,抗氧化治疗在经后治疗女性不孕中具有很大的优势。

综上所述,氧化应激在女性生殖系统疾病的发生、发展过程中起了重要作用。ROS在生殖器官及卵母细胞等的作用具有两面性,而高水平ROS引起的氧化应激对女性生殖系统可造成不可逆的损伤,继而导致女性生殖功能降低,甚至不孕。通过抗氧化治疗可以改善卵巢环境,促进卵泡成熟,提高卵母细胞的质量及数量等。但仍需要积极探索氧化应激与女性生殖功能降低、与女性不孕相关的常见妇科疾病的相关性及抗氧化治疗效果,从而降低氧化应激对女性生殖功能的损伤,维持女性生殖健康。